[論文レビュー] Performance Analysis of 6G Multiuser Massive MIMO-OFDM THz Wireless Systems with Hybrid Beamforming under Intercarrier Interference

Md Saheed Ullah, Zulqarnain Bin Ashraf+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2024

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、多ユーザー大規模MIMO-OFDM太赫茲（THz）システムにおける2段階型ハイブリッド beamforming の設計を提案し、アナログ beamforming におけるリーマン多様体最適化による周波数間干渉（ICI）低減とゼロフォース（ZF）デジタル beamforming を統合する。主な貢献は、ICI を考慮することでスペクトル効率が著しく向上することを示しており、特に高SNRおよびRFチェーン数・アンテナ数の増加時において顕著である。また、システムの複雑さと遅延が低減される。

ABSTRACT

6G networks are expected to provide more diverse capabilities than their predecessors and are likely to support applications beyond current mobile applications, such as virtual and augmented reality (VR/AR), AI, and the Internet of Things (IoT). In contrast to typical multiple-input multiple-output (MIMO) systems, THz MIMO precoding cannot be conducted totally at baseband using digital precoders due to the restricted number of signal mixers and analog-to-digital converters that can be supported due to their cost and power consumption. In this thesis, we analyzed the performance of multiuser massive MIMO-OFDM THz wireless systems with hybrid beamforming. Carrier frequency offset (CFO) is one of the most well-known disturbances for OFDM. For practicality, we accounted for CFO, which results in Intercarrier Interference. Incorporating the combined impact of molecular absorption, high sparsity, and multi-path fading, we analyzed a three-dimensional wideband THz channel and the carrier frequency offset in multi-carrier systems. With this model, we first presented a two-stage wideband hybrid beamforming technique comprising Riemannian manifolds optimization for analog beamforming and then a zero-forcing (ZF) approach for digital beamforming. We adjusted the objective function to reduce complexity, and instead of maximizing the bit rate, we determined parameters by minimizing interference. Numerical results demonstrate the significance of considering ICI for practical implementation for the THz system. We demonstrated how our change in problem formulation minimizes latency without compromising results. We also evaluated spectral efficiency by varying the number of RF chains and antennas. The spectral efficiency grows as the number of RF chains and antennas increases, but the spectral efficiency of antennas declines when the number of users increases.

研究の動機と目的

• 多ユーザー大規模MIMO-OFDM THzシステムにおける周波数間干渉（ICI）の課題に取り組み、スペクトル効率とシステム性能の低下を是正する。
• 実用的な6G展開に適した低複雑性・低遅延のハイブリッド beamforming アーキテクチャを設計し、アナログおよびデジタルプレコーディングを統合する。
• ICI、搬送波周波数誤差（CFO）、およびRFチェーン数、アンテナ数、ユーザー数などのシステムパラメータがスペクトル効率に与える影響を評価する。
• スペクトル効率を最大化するのではなく干渉を最小化するように beamforming を最適化することで、計算複雑度を低減しつつ高い性能を維持する。
• 分子吸収、多径 fading、高パスロスを含む現実的な3次元広帯域THzチャネル特性を用いてモデルを検証する。

提案手法

• 周波数選択的フェージング、分子吸収、高スパarsityを組み込んだ三次元広帯域THzチャネルモデルを構築した。
• 2段階型ハイブリッド beamforming フレームワークを提案：アナログ beamforming にはリーマン多様体最適化、デジタル beamforming にはゼロフォース（ZF）を採用。
• スペクトル効率を最大化するのではなく干渉を最小化するように beamforming 問題を定式化し、計算複雑度を低減した。
• 周波数誤差（CFO）の影響を組み込み、特に高速移動または周波数に不確実性がある環境下でのOFDMシステムにおいて重要な周波数間干渉（ICI）をモデル化した。
• 完全接続型ハイブリッド beamforming アーキテクチャを採用し、ハードウェアコストを低減しつつ完全な空間多重性ゲインを実現した。
• SNR、距離、RFチェーン数およびアンテナ数を含む現実的なシステムパrameterを用いて、シャノン容量式に基づくスペクトル効率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド beamforming を用いた大規模MIMO-OFDM THzシステムにおいて、周波数間干渉（ICI）はスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ICIのモデル化を beamforming 設計に組み込むことで、無視する場合に比べてどの程度の性能向上が得られるか？
• RQ3 RFチェーン数およびアンテナ数がハイブリッド beamforming THzシステムにおけるスペクトル効率とシステム遅延に与える影響は何か？
• RQ4 スペクトル効率を最大化するのではなく干渉を最小化するように再定式化した beamforming 目的関数は、性能の著しい低下を伴わずに複雑度を低減できるか？
• RQ5 室内THz MIMO-OFDMシステムにおいて、ハイブリッド beamforming とICIを考慮した場合、送信距離がスペクトル効率に与える影響は何か？

主な発見

• ICI を beamforming 設計に組み込むことで、特に高信号対雑音比（SNR）条件下でスペクトル効率が顕著に向上し、実用的THzシステム設計においてその重要性が明確になった。
• RFチェーン数および送信アンテナ数が増加するにつれてスペクトル効率が向上するが、ユーザー数の増加に伴い干渉とリソース共有の増加により低下する。
• 本手法では、スペクトル効率を最大化するのではなく干渉を最小化するように beamforming 目的関数を再定式化することで、システム遅延を低減し、計算複雑度を大幅に削減しつつ性能低下を最小限に抑えた。
• 送信距離が5メートルを超えるとスペクトル効率が著しく低下し、高データレートTHz通信のための範囲が限られていることが示された。
• 数値結果から、ICIを無視すると最適でない beamforming 性能が得られ、特に高SNRおよびユーザーが密集した環境下でスペクトル効率に顕著な劣化が生じることが明らかになった。
• ICI を適切にモデル化・低減した場合、高SNR条件下で高いスペクトル効率が達成され、本稿で提案する2段階型ハイブリッド beamforming アプローチの有効性が裏付けられた。